一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制方法与流程

本发明涉及船舶风力助推控制，具体为一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制方法。

背景技术：

1、转筒风帆作为基于马格努斯效应的船舶辅助推进装置，通过电机驱动外部圆筒转子旋转，在环境风场作用下产生气动推力，从而降低船舶主机的能耗与排放。现有的转筒风帆控制系统通常依据风速和风向等外部环境数据，通过变频器调节驱动电机的转速或转矩来获取推进力。在常规平稳海况下，这种控制方式能够维持系统的基本运行并输出预期的辅助推力。

2、船舶在实际航行中常面临风浪交变的复杂海况，波浪激振会引起船体发生多自由度摇荡。此时，风帆支撑结构所承受的载荷不仅包含风场产生的气动载荷，还叠加了船体摇荡带来的机械扰动。现有控制系统难以从混合的电机运行参数中将这两种不同物理属性的负载解耦，导致对真实气动推进收益的评估产生偏差，无法为系统效能优化提供准确的闭环数据。同时，在恶劣海况引发的交变工况下，电机频繁进行转矩的正负切换，现有控制策略并未针对转矩过零时的传动间隙采取限制措施，导致传动链极易产生反向机械刚性冲击，增加了塔筒底部支撑结构及底层轴承的交变应力，缺乏有效的动态机械保护机制。

3、在面临风载趋近于零但伴有持续长波涌浪的特定海况时，现有风帆系统通常转入停机或低速待机状态。风帆转筒自身具备庞大的质量与转动惯量，但在现有控制逻辑下仅作为被动的受力结构，未能利用这一物理属性对船体姿态进行主动干预。系统无法在此时调度储能驱动电机产生变速运动，也无法借此激发出交变物理陀螺力矩来形成横摇阻尼补偿，未能实现在不增加额外专属减摇设备的前提下改善船舶的稳性。因此，本发明提供了一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制方法，以解决现有技术中存在的不足之处。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制方法，解决了现有转筒风帆控制系统在复杂海况下因机械扰动与气动负载耦合导致运行参量评估失真、交变工况下传动链缺乏动态机械保护，以及无法利用风帆转动惯量进行船舶主动减摇控制的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制方法，包括：

4、按采样周期同步提取包含横摇、纵摇和首摇角速度的三轴姿态角速度，及转子机械角速度、转子位置角、定子直轴电流、原始定子交轴电流、定子直轴电压和定子交轴电压；

5、利用所述三轴姿态角速度与转子机械角速度计算刚体交变陀螺力矩，结合安装偏角进行姿态耦合，经弹性结构传递函数滤波获取等效动态扰动转矩，将其折算并从原始定子交轴电流中减去以获取解耦交轴电流；

6、利用所述解耦交轴电流与转子机械角速度计算等效节约轴功率，与实时有功功率作差生成瞬态净效能增益指数，作为转速调整或模式切换依据；

7、当横摇角速度绝对值超过上限判定阈值时，利用所述等效动态扰动转矩的导数生成目标阻尼转矩指令，结合气动维持转矩基值形成目标电磁转矩指令，并在传动间隙死区间执行分段转矩变化率限幅，生成最终指令下发执行；

8、当设定时间窗口内所述解耦交轴电流有效值低于预设风载下限、横摇角速度绝对值积分高于横摇激励阈值且未超所述上限判定阈值，且储能元件荷电状态高于放电保护下限阈值时，切入主动陀螺减摇模式，利用储能电能驱动电机在基础低速上叠加与横摇角加速度反相的速度调制分量，将生成的交变陀螺力矩经支撑传导、姿态耦合及相位补偿形成等效横摇阻尼补偿力矩。

9、进一步的，所述按采样周期同步提取包含横摇、纵摇和首摇角速度的三轴姿态角速度，及转子机械角速度、转子位置角、定子直轴电流、原始定子交轴电流、定子直轴电压和定子交轴电压，具体包括：采用工业以太网总线协议进行分布式时钟同步，按固定周期广播同步报文触发硬件定时器产生中断；锁存所述三轴姿态角速度、所述转子机械角速度、所述转子位置角、所述定子直轴电流、所述原始定子交轴电流、所述定子直轴电压和所述定子交轴电压，并为同一同步报文触发得到的数据配置相同的周期序号进行匹配对齐。采用该方式，通过底层硬件中断与周期序号匹配，能够消除传感器采样频率差异及通信链路传输造成的相位误差，使船体空间姿态数据与电机电气状态在同一时域截面内参与动力学计算。

10、进一步的，所述利用所述三轴姿态角速度与所述转子机械角速度计算刚体交变陀螺力矩，具体包括：将提取到的所述三轴姿态角速度构建为空间姿态角速度矢量，其中包含绕船体随动坐标系x轴的横摇角速度、绕y轴的纵摇角速度和绕z轴的首摇角速度；依据提取到的所述转子机械角速度构建转筒风帆旋转角速度矢量，所述转筒风帆旋转角速度矢量仅在所述船体随动坐标系的z轴方向上具有角速度分量；将所述空间姿态角速度矢量与所述转筒风帆旋转角速度矢量进行空间叉乘计算，并乘以预先标定的转筒风帆系统的转动惯量矩阵，获取空间交变陀螺力矩矢量；提取所述空间交变陀螺力矩矢量在驱动电机主轴径向平面上的标量投影分量作为理论径向扰动转矩。上述提取理论径向扰动转矩的过程，实质上是将多自由度的船体摇荡与转子自转所产生的空间耦合效应，映射并量化为直接作用于底部传动轴承的径向负载激励分量。

11、进一步的，所述经弹性结构传递函数滤波获取等效动态扰动转矩，具体包括：采用双线性变换法将拉普拉斯域下预先设定的二阶弹性结构传递函数离散化为z域脉冲传递函数，并转换为时域差分方程；将当前时刻及历史时刻的所述理论径向扰动转矩数值代入所述时域差分方程进行迭代计算，得到所述等效动态扰动转矩。引入设定的二阶弹性结构传递函数进行迭代计算，旨在对塔筒及支撑结构因形变引发的力矩传递相位滞后与局部谐振放大进行补偿，进而推导出实际传递至电机轴端的机械动态扰动数值。

12、进一步的，所述将其折算为定子电磁扰动电流分量并从所述原始定子交轴电流中减去获得解耦交轴电流，具体包括：将所述等效动态扰动转矩乘以预先标定的轴承摩擦力矩耦合系数，除以驱动电机的极对数与转子磁链及常数1.5的乘积，获得所述定子电磁扰动电流分量；在矢量控制环路中执行减法解耦方程，从所述原始定子交轴电流中减去所述定子电磁扰动电流分量获得所述解耦交轴电流。通过执行减法解耦方程，系统能够从包含外部风场气动载荷与船体摇荡机械扰动的交轴电流中分离出机械运动干扰项，完成气动负载参量的前馈解耦。

13、进一步的，所述利用所述解耦交轴电流和所述转子机械角速度计算等效节约轴功率，同步计算实时交互的有功电功率，求取两者的差值生成瞬态净效能增益指数，具体包括：将所述解耦交轴电流与所述转子机械角速度代入通过风洞试验数据和船舶水动力学数据联合标定得到的函数映射关系中，计算得到所述等效节约轴功率；依据同步旋转坐标系下的瞬时功率关系，利用所述定子直轴电压、所述定子交轴电压、所述定子直轴电流和所述原始定子交轴电流计算所述有功电功率；求取所述等效节约轴功率与所述有功电功率的代数差值，并对所述代数差值执行滑动窗口平均滤波，生成所述瞬态净效能增益指数。在上述计算中，瞬态净效能增益指数是指将转筒风帆产生的有效气动推力折算为等效节约轴功率即输入贡献，与系统实际消耗或回馈的有功电功率即输出损耗进行代数求差，并经过滑动窗口滤波处理后，用于动态表征该系统在当前时刻对船舶整体能效净收益的定量边界指标。以剔除机械扰动后的解耦交轴电流表征推进收益，并在此基础上扣减系统维持旋转消耗的有功电功率，生成的结果可作为反映系统净能量收益的量化控制依据。

14、进一步的，所述利用所述等效动态扰动转矩的导数生成目标电磁阻尼转矩指令，具体包括：对所述等效动态扰动转矩进行离散差分得到等效动态扰动转矩的时间变化率；对所述等效动态扰动转矩的时间变化率进行一阶低通数字滤波，并将滤波后的结果与负向阻尼增益系数相乘，生成目标电磁阻尼转矩指令；将所述目标电磁阻尼转矩指令与转筒风帆的气动维持转矩基值叠加形成目标电磁转矩指令。根据等效动态扰动转矩的变化率生成目标电磁阻尼转矩指令，能够针对机械扰动趋势向系统注入反向电磁阻尼，抑制底层传动部件的应力交变，并在再生发电过程中对塔筒底部支撑结构形成机械保护。

15、进一步的，所述根据当前目标电磁转矩指令所处传动间隙死区间执行分段非线性转矩变化率限幅，具体包括：实时监测所述目标电磁转矩指令，在零转矩两侧按照预设传动间隙死区阈值设置所述传动间隙死区间；当所述目标电磁转矩指令落入所述传动间隙死区间时，采用受限转矩变化率阈值限制转矩变化率并降低电流控制环的响应带宽；当所述目标电磁转矩指令离开所述传动间隙死区间后，采用常规物理极限变化率阈值限制转矩变化率；所述受限转矩变化率阈值小于所述常规物理极限变化率阈值。在零转矩两侧设置传动间隙死区间并执行分段非线性转矩变化率限幅，可在控制系统输出交变制动转矩时，降低过零区间的转矩阶跃幅度，避免传动链因齿隙游隙或扭转间隙引发机械反向刚性冲击。

16、进一步的，所述解耦交轴电流趋近于零且横摇角速度绝对值积分值高于预设横摇激励阈值时的判定条件为：在设定时间窗口内计算所述解耦交轴电流的有效值，并计算同一时间窗口内的横摇角速度绝对值积分值；当所述解耦交轴电流有效值持续低于预设风载下限阈值，且所述横摇角速度绝对值积分值高于预设横摇激励阈值时，判定为所述解耦交轴电流趋近于零且横摇角速度绝对值积分值高于预设横摇激励阈值；此时若所述横摇角速度绝对值未超过上限判定阈值且所述储能元件的荷电状态高于放电保护下限阈值，则切入所述主动陀螺减摇模式。此项多维逻辑判定条件结合了解耦气流载荷、姿态时间积分及储能状态，排除了短时阵风或单次波浪的干扰，用于识别无有效气动推进风力但伴有持续长波涌浪的具体工况。

17、进一步的，所述利用储能元件电能驱动电机在基础低速旋转状态上叠加与横摇角加速度反相的速度调制分量，具体包括：调度所述储能元件释放电能以基础低速角速度维持所述基础低速旋转状态；对所述横摇角速度进行离散差分和低通滤波得到横摇角加速度，将所述横摇角加速度乘以负向减摇增益系数生成所述速度调制分量；将所述速度调制分量叠加于所述基础低速角速度之上，形成综合速度给定指令；通过饱和限幅器将所述综合速度给定指令限制在最低正向维持转速与最高机械许用转速之间后输入速度控制环。系统通过此种方式实现自供能，即在无有效风场且具备主动减摇条件时，系统无需船舶微电网主干供电，而是通过调度直接接入变频器直流母线的储能元件释放电能，独立完成驱动电机基础低速旋转及交变速度调制的能量供给过程。在主动陀螺减摇模式下，利用风帆转筒自身的转动惯量，通过调整转子转速生成交变陀螺力矩，该力矩经支撑结构传导至船体形成抗摇阻尼，实现改善船舶横摇稳性的作用。此处形成的等效横摇阻尼补偿力矩是由电机交变旋转引发的原始交变刚体陀螺力矩，在克服支撑结构的弹性变形传递损耗、经偏角安装或空间分解完成姿态耦合，并通过算法提前修正时间滞后完成相位补偿后，最终实际作用于船舶横摇运动方向上、能够产生平抑摇荡效果的宏观阻尼力矩。

18、本发明第二方面提供一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制系统，包括：

19、惯性测量单元，刚性固接于船舶的基准空间位置，用于实时输出船舶的三轴姿态角速度数据；

20、四象限变频器，其直流母线回路连接有储能元件，输出端连接驱动电机的定子绕组，用于驱动电机工作在电动模式或再生制动模式；所述四象限变频器内部集成有采样电路，用于实时采集并输出定子直轴电压、定子交轴电压、定子直轴电流和原始定子交轴电流；

21、驱动电机，其转子主轴与转筒风帆的底部支撑轴承进行机械联轴连接；所述驱动电机的端部配置有位置传感器，用于输出转子机械角速度和转子位置角；

22、主控单元，通过工业以太网总线与所述惯性测量单元、四象限变频器及位置传感器建立分布式时钟同步通信连接；所述主控单元配置有硬件定时器，用于按固定周期广播同步报文，并在触发中断时锁存对齐各传感器节点的数据。

23、所述主控单元内部配置有解耦计算逻辑，用于利用同步获取的三轴姿态角速度与转子机械角速度计算提取等效动态扰动转矩，并在矢量控制环路中将其折算分量从原始定子交轴电流中减去以获取解耦交轴电流；所述解耦计算逻辑同步结合电机运行交互的有功电功率与等效节约轴功率，输出瞬态净效能增益指数，作为目标转速调整或模式切换的依据。

24、所述主控单元内部配置有变频驱动与保护逻辑，实时根据横摇角速度评估运行状态：当横摇角速度的绝对值超过上限判定阈值时，依据等效动态扰动转矩的导数计算反相电磁阻尼转矩，并在目标电磁转矩指令经过传动间隙死区间时下调转矩变化率限幅阈值；当在设定时间窗口内解耦交轴电流趋近于零、所述横摇角速度绝对值积分值高于预设横摇激励阈值且所述横摇角速度绝对值未超过所述上限判定阈值，且储能元件的荷电状态高于放电保护下限阈值时，调度储能元件向驱动电机供电，生成叠加有与横摇角速度微分反相调制分量的速度指令，驱动转筒风帆输出用于船舶减摇补偿的交变刚体陀螺力矩。通过上述逻辑，主控单元依据多源传感器同步输入的姿态与电气化数据，通过内部算法计算净效能与机械载荷，无需人工干预即可自主判定系统工况，并在气动推力寻优、再生发电与机械保护、主动陀螺减摇等模式间执行状态无缝切换，实现系统的自动化智能控制。

25、本发明提供了一种船舶转筒风帆自供能协同增效智能控制方法。具备以下有益效果：

26、1.本发明通过提取船体姿态角速度与转子机械角速度计算刚体交变陀螺力矩，结合弹性结构传递函数滤波获取等效动态扰动转矩，进而将其折算为电磁扰动电流分量并从原始定子交轴电流中扣除。该机制从包含波浪激振和风场载荷的混合运行数据中分离出船体摇荡带来的机械扰动，获得了能够反映真实气动推进收益的解耦交轴电流，从而为系统评估瞬态净效能增益并进行闭环控制提供了客观的数据基础。

27、2.本发明根据横摇角速度设定阈值条件，利用等效动态扰动转矩的变化率生成反相电磁阻尼转矩指令，并在电磁转矩指令处于零转矩附近的传动间隙死区间时，执行受限制的转矩变化率限幅。当面临恶劣海况时，该控制策略能够向系统注入反向阻尼以抑制底层传动部件的应力交变，同时减缓转矩过零时的阶跃幅度，避免齿轮游隙或扭转间隙引起的机械反向刚性冲击，实现了对塔筒支撑结构及传动链的动态保护。

28、3.本发明在解耦交轴电流趋近于零且横摇角速度持续存在的特定海况下，通过切入主动陀螺减摇模式，调度储能元件驱动电机在微速旋转基础上叠加与横摇角速度微分反相的速度调制分量。该过程复用了风帆转子大型刚体结构的自身转动惯量，使其依据控制指令激发出交变物理陀螺力矩，该力矩经底层支撑结构传导至船体形成横摇阻尼补偿，在无需增加额外专属减摇设备的前提下改善了船舶的姿态稳定性。